автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система векторного управления тяговым электроприводом рудничных электровозов с использованием аппарата нечеткой логики

На правах рукописи ЖЕРЕБКИН Богдан Васильевич

СИСТЕМА ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

РУДНИЧНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АППАРАТА НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент

Ведущее предприятие - ОАО «Новая-Эра».

Защита диссертации состоится 7 июня 2005 г. в 16 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 6 мая 2005 г.

Э.А.Загривный

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.Т.Бурков,

кандидат технических наук, доцент

МЛ.Семенов

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., профессор

въъь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время тяговые электроприводы рудничных электровозов - это, как правило, электроприводы постоянного тока, которые уступают по ряду показателей электроприводам переменного тока на основе асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных машин.

Условия эксплуатации тяговых электроприводов имеют специфические особенности, а именно:

- тяговый двигатель должен обладать большой перегрузочной способностью и развивать значительную силу тяги во время пуска, а также в пути при преодолении больших подъемов;

- подводимое к тяговому электроприводу напряжение нестабильно и допускает отклонения до 20% от номинального значения.

Асинхронный частотно-регулируемый электропривод с системой векторного управления, благодаря своим преимуществам перед другими системами, получает все большее распространение в различных отраслях промышленности, в том числе и в электрической тяге, однако реализация системы управления многодвигательным тяговым электроприводом переменного тока встречает ряд проблем, а именно:

- известные модели работы тягового электропривода не дают достаточной информации для построения и реализации требуемого алгоритма управления и настройки регуляторов системы управления;

- большой объем вычислений в реальном масштабе времени для отыскания ненаблюдаемых параметров управления с помощью математической модели объекта управления затрудняет практическую реализацию микропроцессорного управления;

- наличие ошибки вычисляемых параметров в математической модели работы тягового электропривода, способной вызвать сбой работы системы управления.

- коррекция вычисленных параметров асинхронного тягового двигателя дополнительно требует значительного объема вычислительных операций.

Совершенствованию тяговых электроприводов в разные годы

уделяли большое внимание видные Российские ученые. Среди известных работ можно выделить работы А.Т. Буркова, С.А. Волот-ковского, A.A. Западинского, В.Н. Кордакова, В.В. Литовченко, Г.П. Оата, А.О. Спиваковского, Г.Г. Пивняка, A.B. Рысьева, В.Д. Тулупо-ва, В.Г.Шорина, П.С. Шахтаря,. М.У. Энеева. и др. Интерес к ТЭП проявляют ведущие электротехнические фирмы мира такие как: «OMRON» (Япония) , «Siemens» (Германия), «ABB» (Швеция), «Schneider Electric»(Франция), «General Electric» (США) и др.

Однако, к настоящему времени не решен ряд вопросов, связанных с реализацией системы управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым тяговым электроприводом. Решению задач разработки системы управления инвариантной к внешним возмущениям с учетом значительного числа параметров, изменяющихся случайным образом, посвящена данная работа.

Цель диссертационной работы повышение тяговых характеристик и уровня взрывобезопасиости рудничных электровозов путем замены тягового электропривода постоянного тока на асинхронный тяговый электропривод.

Идея работы состоит в разработке системы управления многодвигательным тяговым электроприводом переменного тока нечувствительной к внешним возмущениям, позволяющей автоматически перераспределять нагрузку между тяговыми двигателями так, что практически исключено буксование и обеспечена синхронизация скоростей вращения колесных пар рудничных электровозов, за счет использования алгоритмов управления, построенных на основе аппарата нечеткой логики.

Задачи исследования:

• Разработка расчетной модели тягового электропривода;

• Построение математической модели многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода с системой векторного управления;

• Разработка алгоритма формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательным тяговым электроприводом с использованием аппарата нечеткой логики;

• Создание таблицы логических правил формирования сигна-

лов управления Fuzzy-регулятора на основе экспертных оценок;

• Построение математической модели многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с системой формирования сигналов задания с использованием аппарата нечеткой логики и векторным управлением;

• Разработка лабораторного экспериментального макета многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого формирования сигналов задания системы векторного управления;

• Разработка программы для модуля нечеткой логики и модуля центрального процессора программируемого логического контроллера (PLC) фирмы «OMRON» серии CS1H;

Защищаемые научные положения:

1. Математическая модель многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, в которой сигналы задания формируются с использованием аппарата нечеткой логики, показала удовлетворительное для инженерных расчетов совпадение результатов с данными эксперимента, и может быть использована для синтеза алгоритмов нечеткого вывода формирования корректирующих сигналов задания.

2. Алгоритм формирования сигналов задания по контурам регулирования электромагнитного момента и частоты вращения системы векторного управления многодвигательным асинхронным электроприводом, построенный с использованием аппарата нечеткой логики позволяет перераспределять нагрузку между тяговыми двигателями для исключения буксования при изменении условий работы рудничного электровоза.

Методы исследований. При проведении теоретических исследований использовались методы теории нечетких множеств и нечеткой логики, методы классической теории автоматического управления сложной электромеханической системой и методы теории автоматического управления, методы теории электропривода и методы численного интегрирования с использованием программы MATLAB. Экспериментальные исследования проводились на лабо-

раторном макете многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов кафедры ЭиЭМ СПГТИ(ТУ).

Научная новизна работы

• Алгоритм формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с использованием аппарата нечеткой логики;

• База логических правил Риггу-регулятора на основе экспертных оценок применительно к задаче формирования корректирующих сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми тяговыми электроприводами.

Обоснованность и достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и близкой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы.

Создана математическая модель многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, построенная с системой формирования корректирующих сигналов задания с испльзованием аппарата нечеткой логики.

Создано программное обеспечение для программируемого логического контроллера фирмы «ОМЯСЖ» серии СБШ, реализующее алгоритм формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми тяговыми электроприводами.

Результаты работы могут найти применение при создании систем управления многодвигательными тяговыми электроприводами переменного тока. Объектами такой системы управления могут служить электровозы рудников, шахт, метрополитена, пригородных поездов, троллейбусы и другие транспортные средства, где необходимо согласованное вращение нескольких осей или перераспределение нагрузки между тяговыми двигателями в условиях переменной нагрузки изменяющейся случайным образом.

Реализация результатов работы

Предложенная система формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами принята к использованию ОАО «Новая-ЭРА».

Личный вклад автора

• Создана математическая модель многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, построенная с системой формирования корректирующих сигналов управления с испльзованием аппарата нечеткой логики;

• Создана база логических правил Г иггу-регулятора на основе экспертных оценок применительно к задаче формирования корректирующих сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми тяговыми электроприводами;

• Разработан алгоритм формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми электроприводоми с использованием аппарата нечеткой логики.

• Создан лабораторный экспериментальный макет многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого векторного управления;

• Создано программное обеспечение для модуля нечеткой логики и модуля центрального процессора программируемого логического контроллера фирмы «ОМкОИ» серии СБШ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции «транспортный электропривод 2001», организованной и проведенной АО «Электросила» в сентябре 2001 г., а также при выполнении НИР «Разработка структуры, алгоритмов систем управления асинхронным частотным электроприводом и их программно-аппаратная реализация» по договору №4 от 05.02.2002г. между СПГГИ(ТУ) и АО «Электросила».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных

работ в периодических изданиях, в сборниках научных трудов и в сборниках тезисов докладов научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 139 наименований и 3 приложений. Общий объем составляет 161 страницу: 145 страниц основного текста, и 16 страниц приложений. Работа иллюстрирована 66 рисунками и имеет 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена актуальность темы, сформулирована основная идея диссертационной работы, на основании которой определены цель и основные задачи исследования, а также научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В главе 1 проведен краткий критический анализ современного состояния, специфических особенностей эксплуатации и алгоритмов управления тяговыми электроприводами. Обоснован выбор тягового электропривода на базе асинхронного двигателя с частотным управлением с подержанием номинального значения потокосцепления ротора.

В главе 2 приведено математическое описание асинхронного двигателя и методики расчета регуляторов системы векторного управления им. В приложении Simulink программы MATLAB построена математическая модель многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с системой векторного управления. На основании результатов исследований, проведенных на математической модели, выявлены недостатки классической системы векторного управления и указаны пути их возможного решения.

В главе 3 описана структура и алгоритм нечеткого вывода Fuzzy-peryrorropa сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми тяговыми электроприводами. В приложении Simulink программы MAT-LAB построена математическая модель такого электропривода. На основании результатов исследований, полученных на математической модели, сделаны выводы о преимуществе предлагаемой системы управления по отношению к классической схеме регулирования. Указаны направления дальнейшего совершенствования алгоритмов управления многодвигательными асинхронными частотно-

регулируемыми электроприводами с использованием аппарата нечеткой логики и условия необходимые для этого.

В главе 4 описан состав лабораторного экспериментального макета многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов и принцип его работы с краткой технической характеристикой основных его элементов. Дано описание алгоритма построения микропроцессорной системы управления электроприводами макета. Произведено сопоставление результатов, полученных экспериментально на лабораторном макете и на математической модели и сделаны выводы об их удовлетворительной сходимости.

Заключение содержит обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

На основании проведенных исследований сформулированы следующие научные положения:

1. Математическая модель многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, в которой сигналы задания формируются с использованием аппарата нечеткой логики, показала удовлетворительное для инженерных расчетов совпадение результатов с данными эксперимента, и может быть использована для синтеза алгоритмов нечеткого вывода формирования корректирующих сигналов задания.

На рис.1 представлена структурная схема математической модели, выполненой в приложении 8ишНпк программы МАТЪАВ, многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с векторным управлением и системой формирования сигналов задания с использованием аппарата нечеткой логики.

Математические модели преобразователей координат, систем векторного управления, преобразователей частоты с ШИМ и асинхронных двигателей выполнены по известному математическому описанию с общепринятыми допущениями и ограничениями. За основу для расчета параметров моделей асинхронных машин были взяты паспортные данные двигателей лабораторного экспериментального макета.

АЯН

m

№

I т_

S

гй-l

M"!

VI!

и:

™mm

tort

J3W

M.

.M

1ф«4брМИНв

i дефэдю мпячг

юорммг

ЗЫв,

5ал,

«спи вскпрпго

ЯФШШХЯ

АД

и*,

V«»

ВреебрЮМПС

остац иирктг

врвобрво-

к

идаш

М-И1

é4*

.Шт

Ыяяи-

АД всхстеш

JL.

ш

JSSffi.

•Ф

Миш-

прообрпсммс • 1fnt«QI0

торгов

Да

тгелдд

ют»

Ю>орД11*Г (i>-v)

КПП

дордиш М-И)

UL

JZL

Tffiij;

тот

йсЛ

nW

Sl

АНН

il

¿У

2E

-Фа

a, "У

43-

У

C1CTCIU BSnpxon JSpaiOHH

АЛ

ж.

_ыне_

1фе»6р—ми

.Ню.»

стсцр МЦИГ

ДА.

Рис.1. Структурная схемал математической модели многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, построенной с системой формирования сигналов задания с использованием

аппарата нечеткой логики.

e>»i

и и "f-ииа н-ixa ЧцДиа "iY««i*o

ID'

6S

V'lHiT-aa.ar.

plc omron

ftofumbum «аоон/ао» m nfta ШШШш'' > ЙГР8* 3?®;®- шштнд

ГТТТ

OBWW Свш ^■"»■ЯЯ? Свжа-мка

"OBI «тОВ2 «пряш

Рис.2. Функциональная схема лабораторного экспериментального макета многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого векторного управления.

Модель системы формирования сигналов задания, построенная на основе аппарата нечеткой логики, была выполнена с использованием графических средств, входящих в состав пакета Fuzzy Logic Toolbox программы MATLAB, позволяющих разрабатывать и применять системы нечеткого вывода в интерактивном режиме с возможностью графического представления.

Для оценки результатов, полученных на математической модели, а также выявления некоторых особенностей, которые неощутимы при математическом моделировании, но при этом могут оказывать значительное влияние на качество регулирования, был разработан на кафедре ЭиЭМ СГПТИ(ТУ) лабораторный экспериментальный макет многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов (рис.2).

Представленный макет состоит из двухмашинного (со встроенным датчиком скорости) и трехмашинного (с тахогенератором на общем валу) агрегатов на базе асинхронных машин (испытуемых) и машин постоянного тока с независимым возбуждением (нагрузочных). Управление асинхронными двигателями осуществляется от преобразователей частоты «MICROMASTER Vector» серии 6SE32 фирмы «Siemens». Управление заданием частоты вращения роторов асинхронных машин преобразователей частоты осуществляется от контроллера фирмы «OMRON» серии CS1H, на вход которого поступают опорный аналоговый сигнал задания скорости вращения электроприводов от лабораторного источника напряжения и фактические скорости вращения электроприводов.

Рис. 3. Кривые фазного напряжения и фазного тока, полученные на выходах преобразователей частоты с ШИМ лабораторного экспериментального макета (а) и математической модели (б) системы векторного управления

многодвигательным асинхронным электроприводом.

Расхождение расчетных и экспериментальных характеристик не превышает 12% (рис.3.а, б и рис. 4.), что позволяет сделать вывод об удовлетворительной для инженерных расчетов сходимости результатов, а следовательно, использовать разработанную математическую

модель для синтеза алгоритмов нечеткого вывода формирования корректирующих сигналов задания системы векторного управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с векторным управлением.

О,В Мс.Нм <в,рвд<с

5 гтт~» й' й * v1 '¿' '¿" '¿'1 'а "¿" 4 ••*•'•*•• ' «ь'« ' 'л' ' 'л' ■ а™ 'а'' '¿'и Рис. 4. Экспериментальные электромеханические характеристики многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием и системой формирования сигналов задания с испльзованием аппарата

нечеткой логики.

2. Алгоритм формирования сигналов задания по контурам регулирования электромагнитного момента и частоты вращения системы векторного управления многодвигательным асинхронным электроприводом, построенный с использованием аппарата нечеткой логики позволяет перераспределять нагрузку между тяговыми двигателями для исключения буксования при изменении условий работы рудничного электровоза.

Структура предлагаемого алгоритма представлена на рис.5.

На вход Риггу-регулятора поступают сигналы рассогласования Да»! и Д(о2 фактической скорости вращения роторов АД с заданным

¿ю,

значением и производные по скорости вращения —и

Л

Л

Рис. 5. Структура алгоритма формирования сигналов задания системы векторного управления с использованием нечеткого регулятора

Выходом нечеткого регулятора являются корректирующие сигналы и1 и и2, которые будут добавлены к опорному сигналу задания скорости вращения роторов тяговых двигателей.

Представленный алгоритм управления состоит из трех этапов в следующей последовательности:

- преобразование четких значений входных переменных в лингвистические переменные - терм-множества (фаззификация);

- обработка полученной информации в категориях нечеткой логики в соответствии с разработанной на основе экспертных оценок базой логических правил вида ЕСЛИ.. .ТО;

- переход от категории нечетких множеств к четким значениям выходных переменных (деффазификация).

Для преобразования полученных четких значений входных переменных Риггу-регулятора в лингвистические входные переменные по До)| и А«ь использовано пять терм-множеств, заданных на уни-

/ |П .лч ¿Щ

версуме (-10; 10), а для переменных по и использовано

три терм-множества, заданных на том же универсуме. Входные лингвистические переменные заданы терм-множествами с функциями степени принадлежности треугольного, 8-образного и г-образного вида (рис.6.).

Диапазон универсумов соответствует максимальным положительному и отрицательному значениям входных переменных нечеткого регулятора и может быть обеспечен с помощью блока ограничения. Количество терм-множеств, которыми заданы входные лингвистические переменные, было определено экспертным опросом на этапе формирования таблицы логических правил (табл. 1).

сттвшххрянцдахежности и*

10-9

дсоидою

степе» принадавяояо сти ТЕ

6 его си ОТ

Рис.6. Преобразование четких значений входных переменных в лингвистические входные переменные. В качестве экспертов были привлечены сотрудники кафедры

ЭиЭМ СПГГИ(ТУ), сотрудники кафедры АПХП СПГТЩТУ), машинисты электровозов октябрьской железной дороги.

Таким образом, четкие значения входных переменных Асоь ,

Л

Дю2 и преобразуются во входные лингвистические переменные

соответственно хь х2, х3 и Х4, заданные на универсуме (-10; 10) функциями степени принадлежности ц терм-множеств со следующими обозначениями:

Ъ - значение входного сигнала Д<»1 (А<я2) или близ-

А Л

кое к нулю;

</<о, , <к>, ч

N - значение входного сигнала —- (——■) отрицательное;

Ш ш

N8 - значение входного Д®1 (Асог) сигнала отрицательное малое; N13 - значение входного Да>1 (Дсо2) сигнала отрицательное большое;

„ </<0. , (1(0, ч Р - значение входного сигнала —1 (—-) положительное;

Л т

РБ - значение входного сигнала Да>] (Да>г) положительное малое; РВ - значение входного сигнала Дю^Дог) положительное большое.

Все множество комбинаций терм-множеств входных лингвистических переменных образует множество подусловий состояния объекта, которые образуют множество условий состояния объекта регулирования, которым соответствуют заключения, представленные с некоторой степенью истинности конкретным терм-множеством выходной лингвистической переменной уь либо у2 в соответствии с таблицей логических правил.

Количество терм-множеств заключений, их обозначения и универсум, на котором они заданы, выполнены аналогично входным переменным X] и х3.

Степень функции принадлежности заключения к конкретному терм-множеству соответствует степени истинности соответствую-

щего ему условия таблицы логических правил. Так как условие представлено двумя лингвистическими переменными, т.е. является сложным высказыванием, то степень его истинности определяется по формуле min-конъюнкции:

T(xiAx2) = min {fi(x,), ц(х2)}, где ц(Х]) - степень принадлежности лингвистической переменной X] к некоторому множеству;

ц(х2) - степень принадлежности лингвистической переменной х2 к некоторому множеству;

Т(х1Лх2) - степень истинности сложного высказывания (конкретного условия) базы логических правил.

Для условий состояния объекта, представленного лингвистическими переменными х3 и х* выполняется аналогичная процедура.

Таблица 1.

№ ЕСЛИ (связка &) TO № ЕСЛИ (связка &) TO № ЕСЛИ (связка &) TO

1 NB X2 N У1 PB 11 Xl NB x2 P y> PS 21 Хз NB X4 z У2 PB

2 *i NS x2 N У1 PB 12 *i NS P yi Z 22 Хз NS X4 z У2 PS

3 Xl Z x2 N yi PS 13 Xi Z x2 P У1 NS 23 Хз Z x4 z У2 z

4 Xi PS X2 N У1 z 14 Xi PS X2 P У1 NB 24 Хз PS X4 z У2 NS

5 Xi PB X2 N yi NS 15 Xl PB X2 P У1 NB 25 Хз PB X4 z У2 NB

6 Xi NB Xi Z У» PB 16 Хз NB X* N У2 PB 26 Хз NB X4 p У2 PS

7 Xi NS X2 Z У1 PS 17 Хз NS X4 N У2 PB 27 Хз NS X4 p У2 Z

8 Xi Z X2 z У1 z 18 Хз Z X, N У2 PS 28 Хз Z X4 p У2 NS

9 Xi PS X2 z У1 NS 19 Хз PS X* N У2 Z 29 Хз PS X4 p У2 NB

10 Xi PB X2 z У1 NB 20 Хз PB X4 N У2 NS 30 Хз PB X4 p Уг NB

Для нахождения функции степени принадлежности каждой из выходных лингвистических переменных производится логическое объединение всех функций степени принадлежности заключений базы логических правил, относящихся к лингвистической переменной у! или у2. В данном алгоритме для этой процедуры использовано выражение шах-объединения:

ц(у1(2)) = шах {ц(1), Ц(2),... ||(30)}, где ц(Ук2)) - функция степени принадлежности выходной лин-

гвистической переменной у1 или у2;

ц(1), |х(2), ... р(30) - функции степени принадлежности заключений (30 - число заключений в таблице логических правил).

После определения функции принадлежности каждой из выходных лингвистических переменных, выполняется процедура обратная фаззификации - дефаззификация (рис. 7). Вычисление четких значений корректирующих сигналов Ршау-регулятора и, и и2, соответствующих выходным лингвистическим переменным у] и у2 системы нечеткого вывода данного алгоритма, производится наиболее распространенным методом - методом центра тяжести плоских фигур, образованных на этапе аккумуляции заключений лингвистических переменных у] и у2, по формуле:

Рис.7. Деффазификация методом центра тяжести, где и)>2 - результат дефаззификации - четкие значения корректирующих сигналов на выходе нечеткого регулятора;

У1,2 - выходные лингвистические переменные, представленные некоторым терм-множеством (заключением);

ц(у1;г) - степени принадлежности нечетких множеств заключений, соответствующих выходных лингвистических переменных У1 и у г после этапа аккумуляции;

у 1,2 ^п и у^отх- левая и правая точки интервала носителя нечетких множеств выходных лингвистических переменных у1 и у2.

Полученные на выходе нечеткого регулятора четкие значения корректирующих сигналов Ц[ и и2, добавляются к последним значениям сигналов задания скорости вращения электроприводов ©„и! и ©пая2 и поступают на вход системы векторного управления многодвигательным асинхронным электроприводом.

На рис.8.а, бив табл.2 представлены результаты математического моделирования многодвигательного асинхронного частотно-

регулируемого электропривода с классическим векторным управлением и векторным управлением с формированием сигналов задания с использованием аппарата нечеткой логики в условиях неравномерной нагрузки на электроприводы, полученные в приложении 81ти1тк программы МАТЬАВ.

гательного асинхронного электропривода с классическим векторным управлением (а) и системой векторного управления с формированием сигналов задания с использованием аппарата нечеткой логики (б).

Моменты сопротивления были приняты ЗНм и 2,4Нм, что соответствует нагрузкам, реализованным при экспериментальных исследованиях на лабораторном макете для режимов: пуск под полной нагрузкой, ступенчатый наброс и сброс сигнала задания частоты вращения электроприводов амплитудой 1В, соответствующего скорости вращения 15,7 рад/с и резкий сброс и резкий наброс полной нагрузки.

Сравнение характеристик, полученных на математической моде-

ли при классическом векторном управлении и системе векторного управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с формированием сигналов задания по контурам регулирования электромагнитного момента и частоты вращения с использованием аппарата нечеткой логики на основе рассмотренного алгоритма, говорит о преимуществе последней.

Таблица 2.

РЕЖИМ РАБОТЫ Классическое векторное управление Нечеткое векторное управление

Мс, Нм Мс, Нм

2,4 3 2,4 3

Пуск пол нагрузкой Требуемое время с 0,23 0,23 0,031 0,032

Перерегулирование % 0 0 0,16 0,16

Установившийся режим Статическая ошибка регулирования АШ=ШИД - (Офает %, ПрИ 0>зад = 4В. 28 34,5 0,16 0,16

Рассогласование со1 и ю2 9,1 9,1 0 0

Сброс нагрузки Время отработки 1, с 0,12 0,12 0,0027 0,0031

Перерегулирование, % 0 0 0,064 0,08

Наброс нагрузки Время отработки г, с 0,15 0,15 0,0006 0,0008

Перерегулирование, % 0 0 0,024 0,04

Ступенчатый наброс задания 1В Время отработки 1, с 0,14 0,14 0,0128 0,0139

Перерегулирование, % 0 0 0,077 0,077

Ступенчатый сброс задания 1В Время отработки 1, с 0,13 0,13 0,0207 0,0244

Перерегулирование, % 0 0 0,016 0,016

Максимально развитые электромагнитные моменты Мэ, Нм 4,89 5,25 16,05 16,26

Максимально развитая мощность на валу двигателя Ргп, Вт 124 130 798 801

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи повышения тяговых характеристик, массогабаритных показателей и уровня взрывобезопасно-сти рудничных электровозов путем замены тягового электропривода постоянного тока на асинхронный тяговый электропривод, что имеет существенное значение для повышения эксплуатационных показателей рудничного рельсового транспорта.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Созданная математическая модель многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, в которой сигналы задания формируются с испльзованием аппарата нечеткой логики, показала удовлетворительное для инженерных расчетов совпадение результатов с данными эксперимента, и может быть использована для синтеза алгоритмов нечеткого вывода формирования корректирующих сигналов задания.

2. Предложенный алгоритм формирования сигналов задания по контурам регулирования электромагнитного момента и частоты вращения системы векторного управления многодвигательным асинхронным электроприводом, построенный с использованием аппарата нечеткой логики, позволяет перераспределять нагрузку между тяговыми двигателями для исключения буксования при изменении условий работы рудничного электровоза.

3. При помощи математического моделирования установлено, что наилучшее качество управления многодвигательным тяговым электроприводом с представленным алгоритмом управления обеспечивается при усилении выходных корректирующих сигналов РШгУ-регулятора в диапазоне (0,1-1). На лабораторном макете значение коэффициента усиления выходных сигналов составило 0,2.

4. Результаты исследований позволяют сделать вывод, что разработанный алгоритм может быть применен для регулирования составляющей тока статора тяговых двигателей ¡$2 вместе с ПИД-регулятором с целью автоматического перераспределения процентного соотношения мощности потребляемой тяговым электроприводом в зависимости от профиля пути, а также при использовании нечетких регуляторов в системе векторного управления асинхронными тяговыми двигателями вместо классических регуляторов.

5. Использованный в работе контроллер нечеткой логики фирмы «OMRON» серии CS1H обладает достаточным быстродействием и удобно совмещается с микропроцессорными устройствами других фирм.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют предположить, что полученный подход к решению задачи управления рудничным электровозом может быть распространен на управление тяговым приводом электрифицированных рельсовых транспортных средств.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Жеребкин Б. В. Алгоритм управления тяговым электроприводом / Жеребкин Б.В., Рудаков В.В. // Материалы II международной науч.-практ. конф., «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы». Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2001 г. - с. 25-26.

2. Жеребкин Б.В. Особенности моделирования тягового электропривода безрельсовых транспортных средств / Жеребкин Б.В., Рудаков В.В. // Тезисы докладов XXX межвузовской научной конференции. СПб., СПбГТУ, 2002 г. с. - 86-87.

3. Жеребкин Б.В. Микропроцессорная система нечеткого векторного управления асинхронным электроприводом / Жеребкин Б.В., Рудаков В.В. // Материалы III международной науч.-практ. конф., «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы». Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2002 г. - с. 4-7.

4. Жеребкин Б.В. Система нечеткого векторного управления асинхронным тяговым приводом // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промышленных предприятиях и ТЭС: Межвузовский сборник научных трудов. СПб., СПбГТУРП, 2002 г. -с.230-236.

5. Жеребкин Б.В. Микропроцессорная система векторного управления асинхронным тяговым электроприводом переменного тока с использованием аппарата нечеткой логики // Полезные ископаемые России и их освоение (Записки горного института). СПб., СПГГЩТУ), 2002 г., Т.152. - с. 161-165..

6. Жеребкин Б.В., Алгоритм векторного управления асинхронным тяговым электроприводом с использованием аппарата нечеткой логики / Жеребкин Б.В., Козярук А.Е., Рудаков В.В. // Сб. «Электросила», СПб., 2002., №41. - с. 82-92.

РИЦСПГГИ 29 04.2005. 3.194. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

*-941Ä

РНБ Русский фонд

2006-4 5335

Введение.

Глава 1. Краткий критический анализ современного состояния тяговых электроприводов.

1.1. Общая характеристика условий работы тяговых электроприводов рудничных электровозов.

1.2. Выбор типа тягового электропривода рудничных электровозов.

1.2.1. Машины постоянного тока.И

1.2.2. Вентильные машины.

1.2.3. Вентильно-индукторные машины.

1.2.4. Асинхронные машины с короткозамкнутым ротором.

1.3. Выбор закона управления асинхронными тяговыми двигателями с короткозамкнутым ротором.

1.4. Алгоритмы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами.

1.4.1. Классическая система векторного управления.

1.4.2. Система прямого управления моментом.

1.5. Системы управления реализующиеся на теории нечетких множеств и нечеткой логики.

1.6. Выводы.

Глава 2. Математическая модель многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с классической системой векторного управления.

2.1. Структура многодвигательных асинхронных частотно-регулируемых тяговых электроприводов рудничных электровозов.

2.2. Математическое описание асинхронного двигателя.

2.3. Математическая модель блока ШИМ.

2.4. Математическая модель преобразователя координат системы векторного управления преобразователя частоты.

2.5. Синтез структуры и расчет регуляторов системы векторного управления.

2.6. Математическая модель многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с классической системой векторного управления.

2.7. Исследование работы многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с системой векторного управления на математической модели.

2.8. Выводы.

Глава 3. Система векторного управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым тяговым электроприводом рудничных электровозов с использованием аппарата нечеткой логики.

3.1. Обоснование обращения к экспертным оценкам, теории нечетких множеств и нечеткой логики.

3.2 Структура много двигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с векторным управлением и системой формирования сигналов задания.

3.3. Алгоритм формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательным асинхронным электроприводом с использованием аппарата нечеткой логики.

3.3.1. Фаззификация входных переменных системы нечеткого вывода.

3.3.2. Таблица логических правил системы нечеткого вывода.

3.3.3. Дефаззификация выходных лингвистических переменных системы нечеткого вывода.

3.4. Математическая модель многодвигательного асинхронного электропривода с векторным управлением и системой формирования сигналов задания с использованием аппарата нечеткой логики.

3.5. Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования на лабораторном макете многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода рудничных электровозов с нечетким векторным управлением.

4.1. Цель и задачи лабораторных экспериментальных исследований.

4.2. Макет многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого векторного управления.

4.2.1. Состав электромеханической части лабораторного экспериментального макета.

4.2.2. Состав силовой части лабораторного экспериментального макета.

4.2.3. Система управления лабораторным экспериментальным макетом тягового электропривода рудничных электровозов.

4.2.4. Состав контрольно-измерительной системы лабораторного экспериментального макета.

4.3. Работа лабораторного экспериментального макета много двигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого векторного управления.

4.4. Экспериментальные исследования на лабораторном макете многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого векторного управления.

4.5. Оценка адекватности результатов полученных теоретическим и лабораторно-экспериментальным способами.

Выводы.

В настоящее время тяговые электроприводы рудничных электровозов -это, как правило, электроприводы постоянного тока, которые уступают по ряду показателей электроприводам переменного тока на основе асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных машин.

Условия эксплуатации тяговых электроприводов имеют специфические особенности, а именно:

- тяговый двигатель должен обладать большой перегрузочной способностью и развивать значительную силу тяги во время пуска, а также в пути при преодолении больших подъемов;

- подводимое к тяговому электроприводу напряжение нестабильно и допускает отклонения до 20% от номинального значения.

Асинхронный частотно-регулируемый электропривод с системой векторного управления, благодаря своим преимуществам перед другими системами, получает все большее распространение в различных отраслях промышленности, в том числе и в электрической тяге, однако реализация системы управления многодвигательным тяговым электроприводом переменного тока встречает ряд проблем, а именно:

- известные модели работы тягового электропривода не дают достаточной информации для построения и реализации требуемого алгоритма управления и настройки регуляторов системы управления;

- большой объем вычислений в реальном масштабе времени для отыскания ненаблюдаемых параметров управления с помощью математической модели объекта управления затрудняет практическую реализацию микропроцессорного управления;

- наличие ошибки вычисляемых параметров в математической модели работы тягового электропривода, способной вызвать сбой работы системы управления.

- коррекция вычисленных параметров асинхронного тягового двигателя дополнительно требует значительного объема вычислительных операций.

Совершенствованию тяговых электроприводов в разные годы уделяли большое внимание видные Российские ученые. Среди известных работ можно выделить работы А.Т. Буркова, С.А. Волотковского, A.A. Западинского, В.Н. Кордакова, В.В. Литовченко, Г.П. Оата, А.О. Спиваковского, Г.Г. Пивняка, A.B. Рысьева, В.Д. Тулупова, В.Г.Шорина, П.С. Шахтаря,. М.У. Энеева. и др. Интерес к ТЭП проявляют ведущие электротехнические фирмы мира такие как: «OMRON» (Япония) , «Siemens» (Германия), «ABB» (Швеция), «Schneider Electric» (Франция), «General Electric» (США) и др.

Однако, к настоящему времени не решен ряд вопросов, связанных с реализацией системы управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым тяговым электроприводом. Решению задач разработки системы управления инвариантной к внешним возмущениям с учетом значительного числа параметров, изменяющихся случайным образом, посвящена данная работа.

Целью диссертационной работы является повышение тяговых характеристик и уровня взрывобезопасности рудничных электровозов путем замены тягового электропривода постоянного тока на асинхронный тяговый электропривод.

Идея работы состоит в разработке системы управления многодвигательным тяговым электроприводом переменного тока нечувствительной к внешним возмущениям, позволяющей автоматически перераспределять нагрузку между тяговыми двигателями так, что практически исключено буксование и обеспечена синхронизация скоростей вращения колесных пар рудничных электровозов, за счет использования алгоритмов управления, построенных на основе аппарата нечеткой логики.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

• Разработки расчетной модели тягового электропривода;

• Построения математической модели многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода с системой векторного управления;

• Разработки алгоритма формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательным тяговым электроприводом с использованием аппарата нечеткой логики;

• Создания таблицы логических правил формирования сигналов управления Fuzzy-регулятора на основе экспертных оценок;

• Построения математической модели многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с системой формирования сигналов задания с использованием аппарата нечеткой логики и векторным управлением;

• Разработки лабораторного экспериментального макета многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого формирования сигналов задания системы векторного управления;

• Разработки программы для модуля нечеткой логики и модуля центрального процессора программируемого логического контроллера (PLC) фирмы «OMRON» серии CS1H;

На основании результатов исследований сформулированы следующие научные положения выносимые на защиту:

1. Математическая модель многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, в которой сигналы задания формируются с использованием аппарата нечеткой логики, показала удовлетворительное для инженерных расчетов совпадение результатов с данными эксперимента, и может быть использована для синтеза алгоритмов нечеткого вывода формирования корректирующих сигналов задания.

2. Алгоритм формирования сигналов задания по контурам регулирования электромагнитного момента и частоты вращения системы векторного управления многодвигательным асинхронным электроприводом, построенный с использованием аппарата нечеткой логики позволяет перераспределять нагрузку между тяговыми двигателями для исключения буксования при изменении условий работы рудничного электровоза.

При проведении теоретических исследований использовались методы теории нечетких множеств и нечеткой логики, методы классической теории автоматического управления сложной электромеханической системой и методы теории автоматического управления, методы теории электропривода и методы численного интегрирования с использованием программы МАТЬАВ. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном макете многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов кафедры ЭиЭМ СГПТЩТУ).

Научной новизной в работе является:

• Алгоритм формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с использованием аппарата нечеткой логики;

• База логических правил Риггу-регулятора на основе экспертных оценок применительно к задаче формирования корректирующих сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми тяговыми электроприводами.

Обоснованность и достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и близкой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы состоит в разработанной математической модели многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, построенной с системой формирования корректирующих сигналов задания с испльзованием аппарата нечеткой логики. В создании программного обеспечения для программируемого логического контроллера фирмы «ОМИХЖ» серии С81Н, реализующего алгоритм формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми тяговыми электроприводами.

Результаты работы могут найти применение при создании систем управления многодвигательными тяговыми электроприводами переменного тока. Объектами такой системы управления мо1ут служить электровозы рудников, шахт, метрополитена, пригородных поездов, троллейбусы и другие транспортные средства, где необходимо согласованное вращение нескольких осей или перераспределение нагрузки между тяговыми двигателями в условиях переменной нагрузки изменяющейся случайным образом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи повышения тяговых характеристик, массогабаритных показателей и уровня взрывобезопасности рудничных электровозов путем замены тягового электропривода постоянного тока на асинхронный тяговый электропривод, что имеет существенное значение для повышения эксплуатационных показателей рудничного рельсового транспорта.